Os scanners de ultra-som, que visualizam o interior do corpo humano, são uma ferramenta médica que salva vidas. Agora, os pesquisadores reduziram a sonda de ultrassom portátil – que normalmente requer um técnico altamente treinado para se mover sobre a pele – para um chip plano que é do tamanho de um selo postal e gruda na pele com um bioadesivo especial. o Novo dispositivo pode gravar vídeos de alta resolução por dois dias seguidos, capturando vasos sanguíneos e corações trabalhando durante o exercício ou estômagos expandindo e encolhendo enquanto os participantes do teste engolem o suco e depois o digerem.
“A beleza disso é que, de repente, você pode aderir essa sonda de ultrassom, esse fino alto-falante de ultrassom, ao corpo por mais de 48 horas”, diz Xuanhe Zhao, engenheiro mecânico do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e coautor de um artigo descrevendo o novo dispositivo, que foi publicado em Ciência na quinta feira. Ao gravar fotos e vídeos de órgãos internos durante esse período, um dispositivo de imagem vestível pode ser usado para diagnosticar ataques cardíacos e tumores malignos, testar a eficácia de medicamentos e avaliar a saúde geral do coração, pulmão ou músculo. “Isso pode potencialmente mudar o paradigma da imagem médica, capacitando a imagem contínua de longo prazo”, acrescenta Zhao, “e pode mudar o paradigma do campo de dispositivos vestíveis”.
Os ultrassons tradicionais são ótimos para espiar sob a pele sem causar danos ao corpo, mas o acesso a esses exames é limitado. “O ultrassom portátil convencional exige que técnicos bem treinados coloquem a sonda corretamente na pele e apliquem um pouco de gel líquido entre a sonda e a pele”, diz Nanshu Lu, engenheiro mecânico da Universidade do Texas em Austin, que não esteve envolvido em a nova pesquisa, mas co-escreveu uma análise de acompanhamento dentro Ciência. “E como você pode imaginar, é bastante tedioso e de muito curto prazo, muito limitado.” Por exigirem um operador humano experiente, explica Lu, esses exames são caros e não podem ser usados em testes em que o sujeito está se exercitando ou colocando seu corpo sob estresse por calor ou ambientes extremos. “Os ultrassons convencionais têm muitas limitações”, diz ela. “Se pudermos tornar os sensores de ultrassom vestíveis, móveis e acessíveis, isso abrirá muitas novas possibilidades”.
Graças à sua versatilidade potencial, outros pesquisadores tentaram fazer adesivos de ultrassom. Mas, para aderir à pele macia e elástica, os dispositivos anteriores foram projetados para serem elásticos. Esse fator de forma enfraquecia a qualidade da imagem porque não podia acomodar tantos transdutores – unidades que, neste caso, transformam energia elétrica em ondas sonoras com frequências muito altas para os ouvidos humanos detectarem. Uma sonda de ultrassom envia essas ondas através de uma camada de gel pegajoso para o corpo humano, onde elas ricocheteiam em órgãos e outras estruturas internas e depois retornam ao conjunto de transdutores. Isso converte as ondas mecânicas de volta em sinais elétricos e os envia para um computador para tradução em imagens.
Quanto mais transdutores, melhor a qualidade da imagem. “É muito semelhante a uma câmera”, explica Philip Tan, engenheiro elétrico e estudante de pós-graduação no laboratório de Lu na UT Austin, que também não esteve envolvido com o novo estudo, mas co-escreveu a peça de análise. Uma sonda de ultrassom aderente elástica, que deve ser capaz de flexionar toda vez que a pele se move, não pode colocar tantos transdutores na matriz – e quando o usuário se move, a configuração dos transdutores muda e dificulta a captura de imagens estáveis.
Em vez de fazer o próprio dispositivo elástico, Zhao e sua equipe anexaram uma sonda rígida, com apenas três milímetros de espessura, a uma camada flexível de adesivo. Esse adesivo substitui o líquido pegajoso colocado entre uma varinha de ultrassom tradicional e a pele, e é um híbrido de um polímero rico em água chamado hidrogel e um material semelhante a borracha chamado elastômero. “É um pedaço de hidrogel sólido contendo mais de 90% de água, mas está em estado sólido como gelatina”, diz Zhao. “Cobrimos a superfície desta gelatina com esta membrana muito fina de elastômero para que a água dentro da gelatina não evapore.” Este bioadesivo não apenas fixou a sonda firmemente na pele por 48 horas, mas também forneceu uma camada de amortecimento que protegeu a eletrônica rígida da flexão da pele e dos músculos.
Para obter imagens de diferentes sistemas corporais, a equipe de Zhao testou versões da sonda que produzem ondas em diferentes frequências e, assim, penetram no corpo em diferentes profundidades. Por exemplo, uma frequência alta como 10 megahertz pode chegar a alguns centímetros abaixo da pele. Os pesquisadores usaram essa frequência para capturar a ação dos vasos sanguíneos e músculos à medida que os participantes do teste mudavam de sentado para de pé ou se exercitavam vigorosamente. Uma frequência mais baixa de três megahertz vai mais fundo, mais como seis centímetros, para capturar órgãos internos. Usando essa frequência, os pesquisadores visualizaram as quatro câmaras do coração de um sujeito e registraram o estômago de outro esvaziando enquanto seu sistema processava algumas xícaras de suco. Os pesquisadores também compararam as imagens coletadas com sua sonda de ultrassom rígida com as capturadas por um dispositivo de ultrassom elástico, diz Zhao. “Você pode ver que a nossa resolução é quase uma ordem de magnitude [10 times] superior ao ultra-som elástico”, acrescenta.
Um dispositivo de imagem que mantém uma vigilância contínua sobre partes específicas do corpo pode ser usado para monitorar e diagnosticar uma variedade de doenças. Os médicos podem ficar de olho no crescimento de um tumor ao longo do tempo. Alguém com alto risco de hipertensão pode usar um adesivo de ultrassom para medir sua pressão alta, alertando-os quando a pressão aumentar ou rastreando se um medicamento está ajudando. Um paciente com COVID poderia ficar em casa, sabendo que um dispositivo de imagem o alertaria se sua doença causasse uma infecção pulmonar grave o suficiente para exigir hospitalização. Talvez a aplicação mais importante seja na detecção e diagnóstico de ataques cardíacos. “As doenças cardiovasculares são… a principal causa de morte em todo o mundo, também nos EUA”, diz Zhao. A saúde do coração está no radar de outros desenvolvedores de dispositivos vestíveis. Por exemplo, relógios inteligentes como o Apple Watch são capazes de rastrear os sinais elétricos que indicam atividade cardíaca com o chamado eletrocardiograma (ECG ou EKG). Isso pode ser usado para diagnosticar ataques cardíacos – pelo menos em alguns casos. “Já existem estudos mostrando que o eletrocardiograma só pode diagnosticar cerca de 20% dos ataques cardíacos. A maioria dos ataques cardíacos realmente requer modalidades de imagem, como ultrassonografia, para diagnosticar”, diz Zhao. Imagens contínuas do coração de um paciente podem capturar seus sintomas e fornecer um diagnóstico precoce.
“O grande ponto de venda deste novo dispositivo é que ele abre novos tipos de diagnóstico médico que não podem ser feitos em um ambiente estático”, diz Tan. Para avaliar a saúde do coração, por exemplo, é útil medir a atividade do órgão durante o exercício – mas é difícil segurar uma varinha de ultrassom contra o peito coberto de gosma de um sujeito correndo. “Com um adesivo de ultrassom vestível, onde você não teria que segurar o transdutor na pessoa, eles foram realmente capazes de mostrar que você é capaz de obter imagens de alta qualidade do coração mesmo durante o movimento”, acrescenta Tan.
O dispositivo bioadesivo ainda não está pronto para a ação, no entanto. Por um lado, ele ainda precisa estar fisicamente conectado a um computador que possa coletar e analisar os dados que a sonda produz. “Conectamos esta sonda através de um fio a um sistema de aquisição de dados”, diz Zhao. “Mas meu grupo está trabalhando muito para miniaturizar e integrar tudo em nosso dispositivo sem fio.” Ele finalmente planeja atualizar o patch com uma fonte de energia miniaturizada e um sistema de transmissão de dados sem fio. Essa é uma meta viável, concordam Lu e Tan, graças ao encolhimento de componentes eletrônicos e métodos de fabricação que permitem que esses recursos sejam combinados em um “ultra-som em um chip”. Lu sugere que, se o campo puder atrair investimentos federais e privados, tal dispositivo poderá ser viável em cinco anos, embora ainda tenha que obter a aprovação dos reguladores federais.
Em última análise, os adesivos de ultrassom podem se juntar às fileiras de wearables que monitoram a saúde humana, incluindo dispositivos existentes que coletam informações sobre frequência cardíaca, qualidade do sono e até estresse. “Nosso corpo humano está irradiando muitos dados altamente pessoais, altamente contínuos, distribuídos e multimodais sobre nossa saúde, nossa emoção, nossa atenção, nossa prontidão e assim por diante. Portanto, estamos cheios de dados”, diz Lu. “A questão é como obtê-los de forma confiável e contínua.”
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